Een techniek om de ontwikkeling van snellere en duurzamere batterijen van de volgende generatie te begeleiden

Schone en efficiënte technologieën voor energieopslag zijn essentieel voor het opzetten van een infrastructuur voor hernieuwbare energie.Lithium-ionbatterijen zijn al dominant in persoonlijke elektronische apparaten en zijn veelbelovende kandidaten voor betrouwbare opslag op netniveau en voor elektrische voertuigen.Er is echter verdere ontwikkeling nodig om de oplaadtarieven en de bruikbare levensduur ervan te verbeteren.

Om de ontwikkeling van dergelijke sneller opladende en duurzamere batterijen te ondersteunen, moeten wetenschappers de processen kunnen begrijpen die plaatsvinden in een werkende batterij, om de beperkingen van de batterijprestaties te identificeren.Momenteel vereist het visualiseren van de actieve batterijmaterialen terwijl ze werken geavanceerde synchrotron-röntgen- of elektronenmicroscopietechnieken, die moeilijk en duur kunnen zijn en vaak niet snel genoeg in beeld kunnen worden gebracht om de snelle veranderingen vast te leggen die optreden in snelladende elektrodematerialen.Als gevolg hiervan blijft de ionendynamiek op de lengteschaal van individuele actieve deeltjes en bij commercieel relevante snellaadsnelheden grotendeels onontgonnen.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben dit probleem overwonnen door een goedkope, op een laboratorium gebaseerde optische microscopietechniek te ontwikkelen om lithium-ionbatterijen te bestuderen.Ze onderzochten individuele deeltjes Nb14W3O44, een van de snelst opladende anodematerialen tot nu toe.Zichtbaar licht wordt door een klein glazen venster de batterij in gestuurd, waardoor de onderzoekers het dynamische proces binnen de actieve deeltjes in realtime kunnen bekijken onder realistische niet-evenwichtsomstandigheden.Dit onthulde frontachtige lithiumconcentratiegradiënten die door de individuele actieve deeltjes bewogen, wat resulteerde in interne spanning waardoor sommige deeltjes braken.Deeltjesbreuk is een probleem voor batterijen, omdat dit kan leiden tot elektrische ontkoppeling van de fragmenten, waardoor de opslagcapaciteit van de batterij afneemt.“Dergelijke spontane gebeurtenissen hebben ernstige gevolgen voor de batterij, maar konden tot nu toe nooit in realtime worden waargenomen”, zegt medeauteur dr. Christoph Schnedermann van het Cavendish Laboratory in Cambridge.

Dankzij de hoge verwerkingscapaciteit van de optische microscopietechniek konden de onderzoekers een grote populatie deeltjes analyseren, waaruit bleek dat het kraken van deeltjes vaker voorkomt bij hogere delithiatiesnelheden en bij langere deeltjes."Deze bevindingen bieden direct toepasbare ontwerpprincipes om deeltjesbreuk en capaciteitsvervaging in deze klasse materialen te verminderen", zegt eerste auteur Alice Merryweather, een promovendus aan de Cavendish Laboratory and Chemistry Department in Cambridge.

In de toekomst zullen de belangrijkste voordelen van de methodologie – waaronder de snelle data-acquisitie, de resolutie van afzonderlijke deeltjes en de hoge doorvoermogelijkheden – verder onderzoek mogelijk maken van wat er gebeurt als batterijen defect raken en hoe dit kan worden voorkomen.De techniek kan worden toegepast om vrijwel elk type batterijmateriaal te bestuderen, waardoor het een belangrijk puzzelstukje wordt in de ontwikkeling van de volgende generatie batterijen.